激光雷達的原理、應用現狀及其發展

激光雷達是一種可以精確、快速獲取地面或大氣三維空間信息的主動探測技術，應用范圍和發展前景十分廣闊。以往的傳感器只能獲取目標的空間平面信息，需要通過同軌、異軌重疊成像等技術來獲取三維高程信息，這些方法與LiDAR技術相比，不但測距精度低，數據處理也比較復雜。正因為如此，LiDAR技術與成像光譜、合成孔徑雷達一起被列為對地觀測系統計劃中最核心的信息獲取與處理技術。激光雷達是將激光技術、高速信息處理技術、計算機技術等高新技術相結合的產物。

激光雷達的工作原理

激光雷達是一種雷達系統，是一種主動傳感器，所形成的數據是點云形式。其工作光譜段在紅外到紫外之間，主要發射機、接收機、測量控制和電源組成。工作原理為：首先向被測目標發射一束激光，然后測量反射或散射信號到達發射機的時間、信號強弱程度和頻率變化等參數，從而確定被測目標的距離、運動速度以及方位。除此之外，還可以測出大氣中肉眼看不到的微粒的動態等情況。激光雷達的作用就是精確測量目標的位置（距離與角度）、形狀（大小）及狀態（速度、姿態），從而達到探測、識別、跟蹤目標的目的。

普通激光雷達光學掃描器部分

激光雷達的現狀及應用

激光技術從它的問世到現在，雖然時間不長，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等幾個極有價值的特點，因而在國防軍事、工農業生產、醫學衛生和科學研究等方面都有廣泛的應用。LiDAR技術在西方國家發展相對成熟，已經投入商業運行的激光雷達系統（主要指機載）主要有Optech（加拿大）、TopSys（法國）和Leica（美國）等公司的產品。

1. 軍事方面的應用

目前，在水雷探測激光雷達、化學試劑探測激光雷達、大氣監測激光雷達、生化陸戰激光雷達等方面已經有了很大的成就。另外，中國的攻擊激光雷達已經相當的先進，包含著世界最尖端的五大核心技術：激光材料研究的突破、激光輻射材料物理機理及成像圖譜研究的突破、一次性快速跟蹤定位控制技術的突破、高密度能量可逆轉換載體材料的突破、激光成像技術的突破。

2. 測風方面的應用

多普勒測風激光雷達具有高分辨率、高精度、大探測范圍、能提供晴空條件下三維風場信息的能力。多普勒測風激光雷達利用光的多普勒效應，測量激光光束在大氣中傳輸及其回波信號的多普勒頻移來反演空間風速分布。主要有相干（外差）探測和非相干（直接）探測兩種方式。

3. 氣象方面的應用

我國已經建立12個沙塵暴長期觀測站，首次形成全國性的沙塵暴監測網絡。可以通過先進的觀測、模擬和衛星遙感的聯合研究，查明中國沙塵暴發生的確切源地，科學地分辨氣象、氣候條件變化等自然因素和沙漠化土地增加等人為因素對沙塵暴的影響，為準確預警、預報沙塵暴，制定全面高效的防治計劃提供科學依據。

4. 醫學方面的應用

美國能源部所屬的Oak Ridge國家實驗室開發出一種集成了激光和雷達系統的系統，這種系統可以減輕燒傷病人的痛苦。研究人員希望這種同頻連續波激光雷達映射系統，可以從病人身體上去除壞死的皮膚和肌肉。這種新系統可以對燒傷病人的體表組織進行三維的激光雷達定位探測，以確定損害程度。利用探測定位結果，激光可以自動除去壞死的組織以利于新組織生長。

5. 水土保持監測中的應用

目前，全國由于建設開發的影響，給水土流失治理帶來很大的難度，據調查，全國每年由于開發建設使水土流失面積達到1.00×104平方千米由以上。由于激光雷達在測量精度上比傳統方法測量結果要精細許多，更真實、可信；而且，可詳細反映所測場地的形態，輕松實現三維建模，從而真正實現了非接觸式測量，大大減少了外業工作量，降低了外業危險；并且可對開挖邊坡、崩崗、山體滑坡等許多形式的水土流失進行測量，使傳統水土保持走上“精耕細作”之路。

激光雷達的發展趨勢

1. 星載激光雷達

星載LiDAR以衛星作為平臺，其運行軌道高、觀測范圍廣、觀測速度快，受地面背景、天空背景影響小，具有高分辨率、高靈敏度的特點，幾乎可以觸及世界的每一個角落，為三維控制點和數字地面模型（DEM）的獲取提供了新的途徑，在國防或是科學研究等領域都具有十分重大的應用價值和研究意義。

星載LiDAR還具有觀察整個天體的能力，實現天體測繪、全球信息采集、全球環境監測、農業林業資源調查、大氣結構成分測量等。此外，星載LiDAR在植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現象監測等方面也可以發揮重要作用。

目前，國際上發展的星載激光雷達有：美國的NASA/LaRC星載差分吸收雷達、月球觀測Clementine系統、火星勘探者的MOLA-2系統、觀測空間小行星的NRL系統、地球觀測的GLAS系統、后向散射雷達ATLID。研究和解決星載Li-DAR的關鍵技術，建立起自己的星載LiDAR系統，將會是我國激光雷達的重要的發展方向。

2. 戰場偵察激光雷達

激光雷達有可能成為重要的偵察工具和手段。美國雷西昂公司正在試驗使用GaAA激光行掃描傳感器制造ILR100成像激光雷達，此設備可以安裝在商性能飛機和無人機上，在120-460米的高空執行偵查任務。偵查的影像可實時地傳送到飛機上的陰極射線管顯示器上或通過數據鏈路直接發送至地面接受站。

3. 測風激光雷達

測定風速對研究氣候變化、提高天氣預報的精度、監測機場氣流、優化飛機航線以及在軍事、火箭發射等方面具有非常重要的意義。目前來看，2μm左右的全固化相干激光雷達及發射在紫外波段的非相干激光雷達將是未來發展的重點。

4. 激光雷達尋的器

激光雷達可以提供以距離和強度為基礎的高分辨率影像，使空地武器具有自主精確制導能力。激光雷達尋的器能形成目標的三維影像，確保準確地識別目標。目前，美國空軍賴特實驗室與海軍聯合開展了一項基于固態激光雷達演示計劃，目的就是完成激光雷達尋的器和自主式捕獲目標。激光雷達尋的器將會安裝在AGM-130、聯合空地遠程導彈上，以提高自主制導的能力和打擊精度。

結論

由于激光雷達是一種代價小、效果好、使用范圍廣的遙感手段，相信將來會應用得更為廣泛。特別是“嫦娥一號”奔月以來，對我國發展星載激光雷達是個巨大促進。